4.2 Расчет толщины стенки корпуса и трубной решетки для теплообменного аппарата с плавающей головкой

Расчет толщины стенок цилиндрических обечаек и эллиптических днищ.

Исходные данные:

- наименование аппарата – ТПГ;

- материал оболочки - сталь ВСт3сп5;

- тип оболочки – цилиндрическая;

- расчетное давление 2,5 МПа;

- допускаемое напряжение для стали Ст3 при 100⁰С 142 МПа;

- коэффициент прочности сварных швов 1.

Толщина стенки оболочки, нагруженной внутренним избыточным давлением

, (15)

где D_B – внутренний диаметр цилиндрической обечайки, м;

- коэффициент прочности сварного шва.

Величина прибавки С для различных элементов корпуса (цилиндрических обечаек и днищ) определяется по формуле (16)

, (16)

где С₁ - прибавка для компенсации коррозии и эрозии, С₁ = 2 мм;

С₂ – прибавка для компенсации минусового допуска, С₂ = 0,5 мм;

С₃ – прибавка технологическая, мм.

Учитывая, что утонение нежелательно и обычно оно не превышает 15% от S_рас, прибавку С₃ можно принимать равной нулю.

,

C = 2 + 0,5 + 0,00 = 2,50 мм,

S^ц_исп= S^ц_R + С^ц =2,5 +5,34 = 7,84 мм.

По ГОСТ 10885-85 принимаем:

- S^ц =8 мм.

Таблица 3 – Определение толщины стенки трубной решетки

Параметр	Значение
Средний диаметр прокладки фланцевого соединения, Dп.ср мм	Dп.ср = 650
Материал трубной решетки	Сталь 16ГС
Расчетная температура трубной решетки, tр , 0 С	tр = 100
Допускаемое напряжение трубной решетки в рабочих условиях при расчетной температуре tрас кор, МПа	[σ]t=η·σ*t, = 142 МПа (σ*t - нормативное значение допускаемого напряжения при расчетной температуре tрас кор )
Расчетное давление, Ррас , МПа	Ррас = 2,5МПа
Коэффициент прочности сварного шва,	= 1
Расчетная толщина стенки трубной решетки S тр. реш , мм	≥0,01 м м

4.2.1 Подбор и обоснование выбора типа фланцевого соединения

В химических аппаратах для разъемного соединения составных корпу­сов и отдельных частей применяются фланцевые соединения преимущест­венно круглой формы. На фланцах присоединяются к аппаратам трубы, арма­тура и т.д. Фланцевые соединения должны быть прочными, жесткими, герме­тичными и доступными для сборки, разборки и осмотра. Фланцевые соедине­ния стандартизированы для труб и трубной арматуры и отдельно для аппара­тов [6].

Фланцевые соединения - наиболее широко применя­емый вид разъемных соединений в химическом машиностроении обеспечивающий герметичность и прочность конструкций, а также простоту изготовления, разборки и сборки. Соединение состоит из двух фланцев, болтов и прокладки, которая устанавливается между уплотнительными по­верхностями и позволяет обеспечить герме­тичность при относительно небольшом усилии затяжки болтов [7].

Аппаратные фланцевые соединения, применяемые для соеди­нения частей аппаратов, таких как распределительная камера и корпус теплообменника, царги разборной ректификационной колонны, обычно нагружены внутренним давлением и лишь в не­большой степени изгибающими внешними нагрузками от веса присоединяемых деталей и других воздействий. Это дает возмож­ность изготовлять фланцевые соединения аппаратов более ком­пактными, а также более легкими (в части как фланцев, так и кре­пежных изделии), чем это принято для фланцевых соединений арматуры и в том числе для штуцеров аппаратов [5].

При расчете фланцевых соединений арматуры, а также флан­цев штуцеров аппаратов следует учитывать значительные усилия от веса примыкающих трубопроводов, температурные усилия, возникающие в результате нагрева и охлаждения трубопроводов, ветровую нагрузку на трубопроводы и др. Дополнительно к на­грузке от внутреннего давления указанные нагрузки создают из­гибающие и крутящие моменты на арматурное фланцевое соеди­нение. В связи с этим, как правило, арматурные фланцевые соеди­нения массивнее аппаратных [5].

По конструкции фланцы разделяются:

- цельные со втулкой или приварные встык;

- плоские приварные;

- накидные;

- свобод­ные.

Конструкция, типы и размеры фланцев стандартизованы и характеризуются условными давлением и диаметром.

Фланцы на условное давление р_у = 1 МПа допускают к при­менению для мятого пара, воздуха, темных холодных нефтепро­дуктов. Для светлых нефтепродуктов, нагретых жидкостей и газов обычно используют фланцы приварные встык на условное давление не ниже 1,6 МПа [5].

Фланцы цельного типа наиболее надежны, их применяют при любых давлениях и температурах. Фланцы плоские приварные используют обычно до температуры 300° С и давления р_у≤2,5МПа, при этом применяют две конструкции приварки плоского фланца к патрубку (трубе). Если пло­ский фланец предназначен для работы при давлении р_у > 2,5 МПа или температуре выше 300° С, то используют конструкцию присоединения фланца к патрубку со сплошным или сквозным про­варом. Как правило, такое соединение необходимо подвергать термообработке (высокий отпуск) для снятия свароч­ных напряжений [5].

Конструкция стандартных стальных приварных фланцевых штуце­ров изображена на рисунке 10.

а — с приварным плоским фланцем и тонкостенным патрубком; б — с при­варным фланцем встык и тонкостенным патрубком; в — кованый толстостен­ный; г — с приварным фланцем встык и толстостенным патрубком; д— вариант конструкции сварного толстостенного

Рисунок 10 - Конструкции стандартных стальных приварных фланцевых штуце­ров

Таблица 4 - Типы штуцеров и пределы их применения в зависимости от давления и температуры среды, ОСТ 26-1403—76

Тип и исполнение	Обозначение стандарта	Пределы применения		Допускаемая рабочая Температура, °С
		МПа	Ду, мм
				От	До
Штуцера с фланцами стальными плоскими приварными с соединительным выступом	ОСТ 20-1404 -76	0,25	125—500	—70	+300
		0,0	25—500
		1,0; 1,6	50—500
		2,5	20—500
Штуцера с фланцами стальными плоскими приварными с выступом (исполнение 1) или впади- ной (исполнение 2)	ОСТ 26-1405—76	1,0; 1,6	50—500
		2,5	20—500
Штуцера с фланцами стальными плоскими приварными с шипом (исполнение 1) или пазом (исполнение 2)	ОСТ 26-1406—76	0,6	25—500
		1,0; 1,6	50—500
		2,5	20—500
Штуцера с фланцами стальными приварными встык с соединительным выступом	ОСТ 26-1407—76	0,6	25—500	—70	+550
		1,0	200—500
		1,6	50—500
		2,5	20—500
Штуцера с фланцами стальными приварными встык с выступом (исполнение 1) или впадиной (исполнение 2)	ОСТ 26-1408—76	0,6	25—500
		1,0	200—500
		1,6	50—500
		2,5	200—500
		4,0; 6,4	20—500
Штуцера с фланцами стальными приварными встык с шипом (исполнение 1) или пазом (исполнение 2)	ОСТ 26-1409—76	0,6	25—500
		1,0	200—500
		1,6	50—500
		2,5	200—500
		4,0; 6,4	20-500

Конструкция уплотнений фланцев стандартных типов зависит от условного давления [5].

Штуцеры приваривают к аппаратам так, чтобы оси отверстий под болты были симметрично смещены относительно оси аппарата [5].

Конструирование фланцевых соединений включает выбор ма­териалов, определение конструктивной формы, расчет болтов (шпилек) и фланцев, выбор и расчет прокладок [5].

Так как P_У – 2,5 МПа и t_р = 100 C < 300C, то для данных условий, для ввода сырья в межтрубное пространство, применяем приварной встык фланец с соединительным выступом - фланец 200 - 10 ГОСТ 12821-80.

Материал выбираем такой же как и материал корпуса сталь ВСт3сп5.